книги из ГПНТБ / Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник

потока колебательной системе. При этом время пролета имеет ре­ шающее значение, так как только в процессе движения электронов происходит их группирование.

Электронные приборы СВЧ по характеру энергообмена между электронным потоком и колебательной системой (или полем) под­ разделяются на приборы типа О и типа М.

В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ-поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле или не используется сов­

СВЧ-полем подразделяются на приборы с кратковременным (пре­ рывным) и длительным (непрерывным) взаимодействием. В пер­ вом случае используется взаимодействие электронов с СВЧ-полем резонаторов, а во втором •— с бегущей волной.

Приборы с кратковременным взаимодействием одновременно яв­ ляются приборами типа О (пролетные и отражательные клистроны). Приборы с длительным взаимодействием могут быть как типа О — лампа бегущей волны типа О (ЛЕВО), лампа обратной волны типа О (ЛОВО), так и типа М — лампа бегущей волны типа М (ЛБВМ), лампа обратной волны типа М (ЛОВМ), магнетрон, платинотрон и др.

На рисунке приведены значения мощности некоторых электрон­ ных приборов СВЧ, достигнутые на различных частотах в непрерыв­ ном (сплошные кривые) и в импульсном (пунктирные кривые) режи­ мах. Сейчас особенно интенсивно развивается полупроводниковая электроника СВЧ. Туннельные диоды уже давно применяются в раз­ личных маломощных схемах СВЧ. В последние годы разработаны СВЧ транзисторы, однако их рабочая частота, по-видимому, не пре­ высит 10 ГГц. Весьма перспективна разработка генераторов и дру­

7

гих схем СВЧ на основе лавинно-пролетного диода и приборов Ган­ на. Это позволит постепенно заменить маломощные электронные приборы СВЧ полупроводниковыми приборами. Мощность полу­ проводниковых приборов в непрерывном режиме и диапазон их рабочих частот представлены на рисунке заштрихованной областью (сравнение различных типов полупроводниковых приборов про­ изведено на рис. 9.1, 142).

Развитие электроники СВЧ идет по двум направлениям. Первое направление — дальнейшее усовершенствование рассмотренных ти­ пов приборов или создание на их основе комбинированных («гибрид­ ных») приборов. Например, совершенствование технологии произ­ водства позволило создать лампы обратной волны в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, т. е. в диапазонах, значение кото­ рых в настоящее время становится важным. В свою очередь, в гиб­ ридных приборах возможно объединение достоинств приборов раз­ ного типа (широкополосность, чувствительность, выходная мощ­ ность, к. п. д. и т. д.). Второе направление — разработка приборов на основе новых принципов усиления и генерирования колебаний СВЧ, особенно в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Теоретически и экспериментально изучаются приборы, ис­ пользующие взаимодействие электронного потока и плазмы; взаи­ модействие электронного потока с дифракционными решетками; параметрическое взаимодействие электронного потока с СВЧполем; явление циклотронного резонанса в электронном потоке, находящемся в магнитном поле; физические эффекты в полупровод­ никах и т. д.

Сейчас становится важной проблема миниатюризации и повыше­ ния надежности электронных приборов СВЧ. Развитие полупровод­ никовой электроники СВЧ способствует решению этой проблемы. Однако проводятся работы и по созданию миниатюрных и высоко­ надежных электровакуумных приборов СВЧ.

Квантовые приборы СВЧ и оптического диапазона, рассматри­ ваемые во второй части книги, основаны на использовании вынуж­ денного (стимулированного) излучения.

Гипотеза о существовании вынужденного электромагнитного излучения была высказана А. Эйнштейном в 1917 г. Однако только в 1940 г. В. А. Фабрикантом были сформулированы условия экспе­ риментального обнаружения вынужденного излучения в газовом разряде. В 1951 г. В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бу­ таева получили авторское свидетельство на способ усиления элект­ ромагнитного излучения. В 1953—1954 гг. Н. Г. Басов, А. М. Про­ хоров и независимо в США Дж. Вебер, Дж. Гордон, X. Цайгер и Ч. Таунс получили генерацию в сантиметровом диапазоне волн при использовании энергетических уровней молекул аммиака. В 1957 г. были созданы квантовые парамагнитные усилители СВЧ. Квантовые приборы для генерации и усиления колебаний СВЧ, основанные на

8

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

ГЛАВА 1

ПРОЛЕТНЫЕ КЛИСТРОНЫ

Пролетные клистроны — это разновидность приборов с кратко­ временным взаимодействием электронов с высокочастотным электри­ ческим полем.

В зависимости от назначения пролетные клистроны подразде­ ляют на усилительные, умножительные и генераторные. Пролетные клистроны классифицируются также по числу резонаторов. Рас­ смотрение начнем с двухрезонаторных пролетных усилительных клистронов, а затем перейдем к многорезонаторным клистронам, получившим наибольшее распространение.

§ 1.1. Принцип работы двухрезонаторного

усилительного пролетного клистрона

На рис. 1.1 показана схема устройства двухрезонаторного про­ летного клистрона.

Участок клистрона между катодом и ускоряющим электродом является пространством ускорения. Все электроны, приходящие к первой сетке входного резонатора, имеют одинаковую скорость. При подаче сигнала между сетками входного резонатора существует переменное электрическое поле. В один полупериод поле между сетками дополнительно ускоряет электроны, в другой — тормозит их. Поэтому возникает модуляция скорости электронов с частотой сигнала. При дальнейшем движении по инерции (дрейф) внутри пролетной трубки электроны разных скоростей группируются в сгу­ стки. Таким образом, скоростная модуляция превращается в мо­ дуляцию электронного потока по плотности. Поэтому область меж­ ду обоими резонаторами называют пространством группирования, или дрейфа. Очевидно, что частота следования сгустков равна час­ тоте сигнала. Пролетая между сетками выходного резонатора, сгустки вызывают в нем наведенный ток той же частоты. Если соб­ ственная частота выходного резонатора равна частоте сигнала, то наведенный ток создает напряжение между сетками резонатора. Таким образом происходит передача энергии от модулированного по плотности электронного потока выходному резонатору, связан­ ному с нагрузкой. Электроны, отдавшие часть своей кинетической

10

энергии выходному резонатору, попадают на коллектор и рассеива­ ют остальную часть кинетической энергии в виде тепла.

Процесс группирования в пролетном клистроне удобно иллю­ стрировать пространственно-временной диаграммой — семейством кривых, изображающих изменение координат электронов во вре­ мени (рис. 1.2). На этом рисунке не показано движение электронов на участке катод — входной резонатор. Координата 2 = 0 соот­ ветствует середине зазора входного резонатора. Синусоида изобра­ жает переменное напряжение их между сетками этого резонатора.

Коллектор

Выходной резонатор (2)

Пролетная - трубка

Цифрами отмечены моменты прохождения входного резонатора раз­ личными электронами. Для сокращения будем просто говорить о номерах электронов. Все электроны подходят к резонатору с оди­

называют невозмущенными, или нулевыми. Эти электроны проле­ тают резонатор при нулевом значении электрического поля, не из­ меняя своей кинетической энергии. Изменение координаты г не­ возмущенных электронов во времени изображено прямыми, наклон которых связан со скоростью ѵ — dz!dt.

Скорость электронов 2, 3, 4 после прохождения тормозящего высокочастотного поля станет меньше, чем невозмущенных (ѵ < ѵ0). Поэтому равномерное движение этих электронов после резонатора изображается прямыми линиями с меньшим углом наклона. Со­ ответственно у электронов 6, 7, 8, пролетающих резонатор в уско­ ряющем полупериоде, скорость возрастает (ѵ р> ѵ0), что приводит

11

к увеличению наклона прямых на пространственно-временной диа­ грамме. Очевидно, что электроны 6, 7, 8, вылетевшие позже невоз­ мущенного электрона 5, но получившие прибавку скорости, дого­ няют этот электрон. Аналогично электроны 2, 3, 4, вылетевшие раньше электрона 5, но замедлившие движение, могут сблизиться в некоторый момент времени с этим электроном.

Таким образом, в результате разницы в скоростях, появившей­ ся после прохождения резонатора (модуляция по скорости), проис­ ходит группирование электронов 3, 4 я 6, 7 около невозмущенного электрона 5, соответствующего моменту перехода от тормозящего

к ускоряющему полупериоду. При синусоидальном напряжении между сетками резонатора не получается полного группирования. Электроны 4, б «встречаются» с электроном 5 в точке с координатой z = а (пересечение прямых в точке А). Встреча остальных электро­ нов с электроном 5 происходит в более поздние моменты времени. После точки А на пространственно-временной диаграмме происхо­ дит «обгон» электронов, например электрон 6 начинает идти впереди электрона 5 и может догнать ранее вышедший из резонатора элект­ рон 3 (точка А', соответствующая координате z = Ъ). Аналогично после точки А электрон 4 начинает отставать от электрона 5 и его сможет догнать вышедший позже электрон 7 (пересечение прямых в точке А ").

Такую же картину движения электронов можно наблюдать для любого периода высокочастотного напряжения. В каждом периоде часть потока электронов группируется около невозмущенного.элек­ трона, пролетающего резонатор в момент нулевого электрического поля, соответствующего переходу от тормозящего полупериода к ускоряющему (например, около электронов 5 и 13).

Теперь перейдем к анализу процессов в пролетном клистроне.

12

§ 1.2. Модуляция электронного потока по скорости

Определим сначала скорость электронов ѵ0 перед входным резонатором. Изменение кинетической энергии электронов в уско­ ряющем поле между катодом и входным резонатором равно измене­ нию потенциальной энергии eU0. Считая начальную скорость рав­ ной нулю, получим

».=1/ — ■ <ІЛ>

V т

где т, е — масса и заряд электрона.

Скорость любого электрона после прохождения зазора между сетками резонатора может быть найдена в результате решения урав­ нения движения

тудное значение разности потен­ циалов, а d1 — расстояние между сетками. Индекс 1 относится к первому (входному) резонатору. Тогда уравнение (1.2) принимает вид

Предположим, что амплитуда переменного напряжения много меньше ускоряющего напряжения U 0, которое определяет началь­ ную скорость у0:

13

Тогда изменение скорости электронов в резонаторе невелико, зна­ чения VI для электронов, подлетающих к резонатору в различные моменты t' периода, будут мало отличаться от ѵ0. Таким образом, при выполнении условия (1.5) можно считать, что время пролета тх всех электронов практически одинаково и равно

т. е. равно времени пролета невозмущенного электрона. Величина

коэффициент эффективности взаимодействия электронов с полем резонатора, или просто коэффициент взаимодействия.

Из формулы (1.8) следует, что в результате прохождения элект­ ронов через зазор резонатора, к которому приложено синусоидаль­ ное напряжение, появляется переменная составляющая скорости, изменяющаяся по тому же (синусоидальному) закону с той же частотой. Однако из-за наличия времени пролета переменная сос­ тавляющая скорости отстает по времени на тх/2, а по фазе на угол Ѳj/2 от синусоидального напряжения между сетками.

Очевидно, что момент времени

соответствует прохождению данным электроном середины зазора

между сетками. Введя это обозначение в (1.8), окончательно по­ лучаем

Таким образом, величину скорости любого электрона при вы­ ходе из резонатора можно найти, зная мгновенное значение сину­ соидального напряжения на зазоре в тот момент времени, когда электрон пролетал через середину зазора. Однако время пролета входит еще в величину коэффициента Л4Х, введенного в формуле (1.9). На рис. 1.4 показана зависимость Л4Хот угла пролета Ѳх. Самое большое значение М х соответствует углу пролета Ѳх = 0, При значениях Ѳх = 2л п (п = 1, 2, 3, ...) М х = О,

14

взаимодействие электронов с полем или насколько изменится фа­ за СВЧ-напряжения за время пролета электрона в зазоре. Если

выходе из зазора остается равной начальной скорости ѵ0. При дви­ жении электрона в зазоре скорость непрерывно изменяется, но

учитывает уменьшение глубины модуляции скорости при конечном времени пролета по сравнению с идеальным случаем нулевого или

то на основании формулы (1.11) можно сделать вывод, что по влия­ нию на скорость зазор с конечным расстоянием между сетками dx и амплитудным значением приложенного напряжения Ux эквива­ лентен бесконечно узкому зазору, к которому приложено напря­ жение с меньшей амплитудой M-JJ х (Мх< 1).

Получить небольшой угол пролета Ѳх трудно, так как для этого требуется в соответствии с (1.7) увеличивать п0 (увеличивать на­ пряжение U о) или уменьшать величину зазора dx. Последнее при­ водит к увеличению емкости и снижению добротности резонато­ ра. В реальных резонаторах клистронов угол пролета Ѳх равен

90—180°.

Глубина модуляции скорости зависит также от величины | х (1.5). Увеличение Uх приводит к большему относительному изме­ нению кинетической энергии электронов и их скорости. Если ус­ коряющее напряжение U 0 увеличивается, то начальное значение кинетической энергии и скорости электронов возрастает, и при данном переменном напряжении на зазоре Uх относительное из­ менение энергии и скорости станет меньше. Это означает уменьше­ ние глубины модуляции по скорости.

15

§ 1.3. Группирование электронов

При рассмотрении процесса модуляции по скорости был исполь­ зован рис. 1.3, на котором начало координат совпадает с положением первой сетки резонатора. Для анализа процесса группирования удобнее начало координат сместить в середину зазора (точка 1 на рис. 1.3), которую электрон проходит в момент времени t x. При этом можно заменить реальный зазор бесконечно узким с напряже­

В пространстве группирования пролетного клистрона отсутст­ вуют электрические поля (см. рис. 1.1), поэтому движение электро­ нов в нем должно быть равномерным со скоростью Моменты времени t 2, в которые эти электроны достигнут точки 2 на рис. 1.3

М £ х < 1, по правилу приближенных вычислений формулу (1.13) можно привести к виду

угол пролета невозмущенного электрона. Умножая обе части ра­ венства (1.14) на со и учитывая (1.16), получаем

16